Inapoi inainte

Atenţie! Previzualizarea slide-ului are doar scop informativ și este posibil să nu reprezinte întreaga amploare a prezentării. Dacă sunteți interesat de această lucrare, vă rugăm să descărcați versiunea completă.

Tip de lecție: lecția de învățare a materialelor noi.

Tip de lecție: combinate.

Tehnologie: problema-dialogic.

Scopul lecției: organizează activitățile elevilor în studiul și consolidarea primară a cunoștințelor despre metodele de înregistrare a particulelor încărcate.

Echipament: computer și proiector multimedia, Prezentare.

Metode de înregistrare a particulelor încărcate

Astăzi, pare aproape neplauzibil câte descoperiri în fizica nucleară au fost făcute folosind surse naturale de radiații radioactive cu o energie de doar câțiva MeV și cele mai simple dispozitive de detectare. S-a descoperit nucleul atomic, s-au obţinut dimensiunile lui, s-a observat pentru prima dată o reacţie nucleară, fenomenul radioactivitate, au fost descoperite neutronul și protonul, a fost prezisă existența neutrinului și așa mai departe. Detectorul principal de particule pentru o lungă perioadă de timp a fost o placă acoperită cu sulfură de zinc. Particulele au fost înregistrate de ochi prin fulgerele de lumină produse de acestea în sulfură de zinc.

În timp, setările experimentale au devenit din ce în ce mai complexe. Au fost dezvoltate tehnici de accelerare și detecție a particulelor și electronică nucleară. Progresele în fizica nucleară și a particulelor elementare sunt din ce în ce mai mult determinate de progresul în aceste domenii. Premiile Nobel pentru fizică sunt adesea acordate pentru munca în domeniul tehnicii experimentului fizic.

Detectoarele servesc atât pentru a înregistra însuși faptul prezenței unei particule, cât și pentru a determina energia și impulsul acesteia, traiectoria particulei și alte caracteristici. Pentru înregistrarea particulelor, se folosesc adesea detectoare care sunt cât mai sensibile la înregistrarea unei anumite particule și nu simt fondul mare creat de alte particule.

De obicei, în experimentele de fizică nucleară și a particulelor, este necesar să se distingă evenimentele „necesare” pe un fundal gigantic de evenimente „inutile”, poate unul la un miliard. Pentru aceasta se folosesc diverse combinații de contoare și metode de înregistrare.

Înregistrarea particulelor încărcate se bazează pe fenomenul de ionizare sau excitare a atomilor, pe care aceștia îl provoacă în substanța detectorului. Aceasta este baza pentru funcționarea unor detectoare precum camera de nor, camera cu bule, camera de scânteie, emulsii, scintilație de gaz și detectoare cu semiconductor.

1. Contor Geiger

Contorul Geiger este, de regulă, un catod cilindric, de-a lungul axei căruia este întins un fir - anodul. Sistemul este umplut cu un amestec de gaze. La trecerea prin contor, particula încărcată ionizează gazul. Electronii rezultați, deplasându-se spre electrodul pozitiv - filament, căzând în regiunea unui câmp electric puternic, sunt accelerați și, la rândul lor, ionizează moleculele de gaz, ceea ce duce la o descărcare corona. Amplitudinea semnalului atinge câțiva volți și este ușor de înregistrat. Contorul Geiger înregistrează trecerea unei particule prin contor, dar nu permite măsurarea energiei particulei.

2. Camera de nor

O cameră cu nori este un detector de urmărire a particulelor încărcate elementare, în care urma (urma) unei particule formează un lanț de picături mici de lichid de-a lungul traiectoriei mișcării sale. Inventat de C. Wilson în 1912 (Premiul Nobel în 1927).

Principiul de funcționare al unei camere cu nori se bazează pe condensarea vaporilor suprasaturați și pe formarea de picături lichide vizibile pe ioni de-a lungul pistei unei particule încărcate care zboară prin cameră. Pentru a crea abur suprasaturat, are loc o expansiune adiabatică rapidă a gazului cu ajutorul unui piston mecanic. După fotografiarea pistei, gazul din cameră este din nou comprimat, picăturile de pe ioni se evaporă. Câmpul electric din cameră servește la „curățarea” camerei de ionii formați în timpul ionizării precedente a gazului. Într-o cameră cu nori, urmele particulelor încărcate devin vizibile datorită condensării vaporilor suprasaturați pe ionii de gaz formați de particulele încărcate. Pe ionii se formează picături de lichid, care cresc la dimensiuni suficiente pentru observare (10–3–10–4 cm) și fotografiere în lumină bună. Mediul de lucru este cel mai adesea un amestec de vapori de apă și alcool la o presiune de 0,1-2 atmosfere (vaporii de apă se condensează în principal pe ionii negativi, vaporii de alcool pe ionii pozitivi). Suprasaturarea se realizează printr-o scădere rapidă a presiunii datorită extinderii volumului de lucru. Capacitățile camerei de nor crește semnificativ atunci când este plasată într-un câmp magnetic. În funcție de traiectoria unei particule încărcate curbată de un câmp magnetic, se determină semnul sarcinii și impulsul acesteia. Folosind o cameră cu nori în 1932, K. Anderson a descoperit un pozitron în razele cosmice.

3. Camera cu bule

camera cu bule– un detector de urmărire de particule încărcate elementare, în care urma (urma) unei particule formează un lanț de bule de vapori de-a lungul traiectoriei mișcării sale. Inventat de A. Glaser în 1952 (Premiul Nobel în 1960).

Principiul de funcționare se bazează pe fierberea unui lichid supraîncălzit de-a lungul pistei unei particule încărcate. Camera cu bule este un vas umplut cu un lichid transparent supraîncălzit. Cu o scădere rapidă a presiunii, se formează un lanț de bule de vapori de-a lungul pistei particulei ionizante, care sunt iluminate de o sursă externă și fotografiate. După fotografiarea urmei, presiunea din cameră crește, bulele de gaz se prăbușesc și camera este din nou gata de funcționare. Hidrogenul lichid este utilizat ca fluid de lucru în cameră, care servește simultan ca țintă de hidrogen pentru studiul interacțiunii particulelor cu protonii.

Camera cu nori și camera cu bule au marele avantaj de a putea observa direct toate particulele încărcate produse în fiecare reacție. Pentru a determina tipul de particule și impulsul acesteia, camerele cu nori și camerele cu bule sunt plasate într-un câmp magnetic. Camera cu bule are o densitate mai mare a materialului detectorului în comparație cu camera cu nori și, prin urmare, căile particulelor încărcate sunt complet închise în volumul detectorului. Descifrarea fotografiilor din camerele cu bule prezintă o problemă separată, care necesită timp.

4. Emulsii nucleare

În mod similar, așa cum se întâmplă în fotografia obișnuită, o particulă încărcată perturbă structura rețelei cristaline a granulelor de halogenură de argint de-a lungul traseului său, făcându-le capabile de dezvoltare. Emulsia nucleară este un instrument unic pentru înregistrarea evenimentelor rare. Stivele de emulsii nucleare fac posibilă detectarea particulelor de energii foarte mari. Ele pot fi utilizate pentru a determina coordonatele traseului unei particule încărcate cu o precizie de ~ 1 micron. Emulsiile nucleare sunt utilizate pe scară largă pentru a detecta particulele cosmice pe baloane și vehicule spațiale.
Fotoemulsiile ca detectoare de particule sunt oarecum similare cu camerele cu nori și camerele cu bule. Ele au fost folosite pentru prima dată de fizicianul englez S. Powell pentru a studia razele cosmice. Emulsia foto este un strat de gelatină cu granule de bromură de argint dispersate în el. Sub acțiunea luminii, în granulele de bromură de argint se formează centrii de imagine latenți, care contribuie la reducerea bromurii de argint la argint metalic atunci când sunt dezvoltate cu un dezvoltator fotografic convențional. Mecanismul fizic de formare a acestor centri este formarea atomilor de argint metalic datorita efectului fotoelectric. Ionizarea produsă de particulele încărcate dă același rezultat: apare o dâră de boabe sensibilizate, care, după dezvoltare, poate fi văzută la microscop.

5. Detector de scintilație

Detectorul de scintilație folosește proprietatea anumitor substanțe de a străluci (scintila) atunci când trece o particulă încărcată. Cuantele de lumină generate în scintilator sunt apoi înregistrate folosind fotomultiplicatori.

Instalațiile moderne de măsurare în fizica energiilor înalte sunt sisteme complexe care includ zeci de mii de contoare, electronice sofisticate și sunt capabile să înregistreze simultan zeci de particule produse într-o singură coliziune.

Întrebări.

1. Conform figurii 170, spuneți despre dispozitiv și despre principiul de funcționare al contorului Geiger.

Contorul Geiger constă dintr-un tub de sticlă umplut cu un gaz rarefiat (argon) și etanșat la ambele capete, în interiorul căruia se află un cilindru metalic (catod) și un fir întins în interiorul cilindrului (anod). Catodul și anodul sunt conectate printr-o rezistență la o sursă de înaltă tensiune (200-1000 V). Prin urmare, între anod și catod apare un câmp electric puternic. Când o particulă ionizantă intră în tub, se formează o avalanșă de ioni de electroni și în circuit apare un curent electric, care este înregistrat de un dispozitiv de numărare.

2. Ce particule sunt înregistrate de un contor Geiger?

Contorul Geiger este folosit pentru a înregistra electronii și ϒ-quanta.

3. Conform figurii 171, spuneți-ne despre dispozitiv și despre principiul de funcționare al camerei de nor.

Camera de nor este un cilindru de sticlă joasă, cu un capac, un piston în partea de jos și un amestec de alcool și apă saturat cu abur. Când pistonul se mișcă în jos, vaporii devin suprasaturați, adică. capabil de condensare rapidă. Când orice particulă intră printr-o fereastră specială, creează ioni în interiorul camerei, care devin nuclee de condensare, iar de-a lungul traiectoriei particulei apare o urmă (urmă) de picături condensate care poate fi fotografiată. Dacă plasați camera într-un câmp magnetic, atunci traiectoriile particulelor încărcate vor fi curbate.

4. Ce caracteristici ale particulelor pot fi determinate folosind o cameră cu nori plasată într-un câmp magnetic?

După direcția îndoirii, se apreciază sarcina particulei, iar după raza de curbură se poate afla mărimea sarcinii, a masei și a energiei particulei.

5. Care este avantajul unei camere cu bule față de o cameră cu nor? Prin ce diferă aceste dispozitive?

În camera cu bule, în loc de abur suprasaturat, se folosește un lichid supraîncălzit peste punctul de fierbere, ceea ce îl face mai rapid.

Astăzi vom vorbi despre metode experimentale pentru studiul particulelor. În această lecție, vom discuta despre modul în care particulele alfa din degradarea elementului radioactiv radiu pot fi folosite pentru a studia structura internă a atomilor. De asemenea, vom vorbi despre metode experimentale de studiere a particulelor care alcătuiesc atomul.

Tema: Structura atomului și a nucleului atomic. Utilizarea energiei nucleelor ​​atomice

Lecția 54

Ieriutkin Evgheni Sergheevici

Această lecție va fi dedicată unei discuții despre metodele experimentale de detectare a particulelor. Mai devreme am vorbit despre faptul că la începutul secolului al XX-lea a apărut un instrument cu ajutorul căruia poți studia structura atomului și structura nucleului. Acestea sunt particule a, care se formează ca rezultat al dezintegrarii radioactive.

Pentru a înregistra acele particule și radiații care se formează în urma reacțiilor nucleare, sunt necesare câteva metode noi, diferite de cele folosite în macrocosmos. Apropo, experimentele lui Rutherford au folosit deja o astfel de metodă. Se numește metoda scintilației (flash). În 1903, s-a descoperit că, dacă o particulă a lovește sulfura de zinc, atunci apare o mică fulgerare în locul în care a lovit. Acest fenomen a stat la baza metodei scintilației.

Cu toate acestea, această metodă nu a fost perfectă. A trebuit să privesc cu mare atenție ecranul ca să văd toate blițurile, ochii mi-au obosit: până la urmă, a trebuit să folosesc un microscop. Era nevoie de noi metode care să permită înregistrarea mai clară, rapidă și fiabilă a anumitor radiații.

O astfel de metodă ar fi fost propusă pentru prima dată de Geiger, un angajat al laboratorului lui Rutherford. El a creat un dispozitiv capabil să „numere” particulele încărcate care cad în el, așa-numitul. Contor Geiger. După ce omul de știință german Muller a îmbunătățit chiar acest contor, acesta a devenit cunoscut sub numele de contor Geiger-Muller.

Cum este aranjat? Acest contor este cu descărcare de gaz, adică Funcționează conform acestui principiu: chiar în interiorul acestui contor, în partea sa principală, se formează o descărcare de gaz în timpul trecerii unei particule. Permiteți-mi să vă reamintesc că o descărcare este fluxul unui curent electric într-un gaz.

Orez. 1. Schema schematică a contorului Geiger-Muller

Un recipient de sticlă care conține un anod și un catod. Catodul este prezentat sub forma unui cilindru, iar în interiorul acestui cilindru este întins un anod. Se creează o tensiune suficient de mare între catod și anod datorită sursei de curent. Între electrozi, în interiorul vasului de vid, există de obicei un gaz inert. Acest lucru se face intenționat pentru a crea aceeași descărcare electrică în viitor. În plus, există o rezistență ridicată (R ~ 10 9 Ohm) în circuit. Este necesar să se stingă curentul care curge în acest circuit. Și lucrul contorului este după cum urmează. După cum știm, particulele care se formează ca urmare a reacțiilor nucleare au o putere de penetrare destul de mare. Prin urmare, recipientul de sticla, in interiorul caruia se afla aceste elemente, nu reprezinta nici un obstacol pentru ele. Ca rezultat, particula pătrunde în acest contor de descărcare de gaze și ionizează gazul din interior. Ca urmare a unei astfel de ionizări, se formează ioni energetici care, la rândul lor, se ciocnesc și creează, ciocnindu-se între ei, o avalanșă de particule încărcate. Această avalanșă de particule încărcate va consta din ioni negativi, ioni încărcați pozitiv, precum și din electroni. Și când trece această avalanșă, putem fixa curentul electric. Acest lucru ne va oferi oportunitatea de a înțelege că o particulă a trecut prin contorul de descărcare de gaze.

Este convenabil deoarece într-o secundă un astfel de contor poate înregistra aproximativ 10.000 de particule. După unele îmbunătățiri, acest contor a început să înregistreze și raze G.

Cu siguranță, Contor Geiger- un lucru convenabil care face posibilă determinarea existenței radioactivității în general. Cu toate acestea, contorul Geiger-Muller nu permite determinarea parametrilor particulei, efectuarea vreunei cercetări cu aceste particule. Acest lucru necesită moduri foarte diferite, metode foarte diferite. La scurt timp după crearea contorului Geiger, au apărut astfel de metode, astfel de dispozitive. Una dintre cele mai cunoscute și răspândite este camera de nor.

Orez. 2. Camera de nor

Acordați atenție dispozitivului cu cameră. Un cilindru care conține un piston care se poate mișca în sus și în jos. În interiorul acestui piston este o cârpă închisă la culoare umezită cu alcool și apă. Partea superioară a cilindrului este acoperită cu un material transparent, de obicei sticlă destul de groasă. Deasupra ei este o cameră pentru a fotografia ce se va întâmpla în interiorul camerei de nor. Pentru ca toate acestea să se vadă foarte bine, se face o lumină de fundal pe partea stângă. Prin fereastră, în dreapta, este îndreptat un flux de particule. Aceste particule, care pătrund în mediul, care constă din apă și alcool, vor interacționa cu particulele de apă și particulele de alcool. Aici se află cel mai interesant. Spațiul dintre sticlă și piston este umplut cu apă și vapori de alcool formați ca urmare a evaporării. Când pistonul scade brusc, presiunea scade și vaporii care sunt aici intră într-o stare foarte instabilă, de exemplu. gata să intre în lichid. Dar din moment ce alcoolul pur și apa sunt plasate în acest spațiu, fără impurități, atunci de ceva timp (poate fi destul de mare) o astfel de stare de neechilibru persistă. În momentul în care particulele încărcate intră în regiunea unei astfel de suprasaturații, ele devin centrele în care începe condensarea vaporilor. Mai mult, dacă intră particule negative, ele interacționează cu unii ioni, iar dacă sunt pozitive, atunci cu ioni de altă substanță. Acolo unde această particulă a zburat, așa-numita urmă rămâne, cu alte cuvinte, o urmă. Dacă camera de nor este acum plasată într-un câmp magnetic, atunci particulele care au sarcini încep să devieze în câmpul magnetic. Și apoi totul este foarte simplu: dacă particula este încărcată pozitiv, atunci se abate într-o direcție. Dacă negativ - către altul. Deci putem determina semnul sarcinii, iar prin raza de rotunjire de-a lungul căreia se mișcă particula, putem determina sau estima masa acestei particule. Acum putem spune că putem obține informații complete despre particulele care alcătuiesc cutare sau cutare radiație.

Orez. 3. Urme de particule într-o cameră cu nori

Camera de nor are un dezavantaj. Însuși urmele care se formează ca urmare a trecerii particulelor sunt de scurtă durată. De fiecare dată trebuie să pregătiți din nou camera pentru a obține o nouă imagine. Prin urmare, deasupra camerei este amplasată o cameră, care înregistrează chiar acele urme.

Desigur, acesta nu este ultimul dispozitiv care este folosit pentru a înregistra particulele. În 1952, a fost inventat un dispozitiv, care a fost numit camera cu bule. Principiul său de funcționare este aproximativ același cu cel al unei camere cu nori; numai lucrul se efectuează cu un lichid supraîncălzit, adică. într-o stare în care lichidul este pe cale să fiarbă. În acest moment, particulele zboară printr-un astfel de lichid, care creează centre de formare a bulelor. Urmele formate într-o astfel de cameră sunt stocate mult mai mult timp, iar acest lucru face camera mai convenabilă.

Orez. 4. Aspectul camerei cu bule

În Rusia, a fost creată o altă metodă pentru monitorizarea diferitelor particule radioactive, dezintegrari și reacții. Aceasta este o metodă de emulsii fotografice în strat gros. Particulele cad în emulsii preparate într-un anumit mod. Interacționând cu particulele de emulsie, ele nu creează doar urme, ci urme care în sine reprezintă fotografia pe care o obținem când fotografiam urme într-o cameră cu nori sau într-o cameră cu bule. Este mult mai convenabil. Dar aici există un dezavantaj important. Pentru ca metoda de fotoemulsie să funcționeze destul de mult timp, trebuie să existe o penetrare constantă, lovirea noilor particule sau radiații formate, de exemplu. înregistrarea impulsurilor de scurtă durată în acest mod este problematică.

Puteți vorbi despre alte metode: de exemplu, există o metodă precum o cameră de scânteie. Acolo, ca urmare a fluxului de reacții radioactive, se formează scântei de-a lungul urmei mișcării particulei. Ele sunt, de asemenea, clar vizibile și ușor de înregistrat.

Până în prezent, cel mai des sunt utilizați senzori cu semiconductori, care sunt atât compacti, cât și comozi și dau un rezultat destul de bun.

Vom vorbi despre ce descoperiri au fost făcute folosind metodele descrise mai sus în lecția următoare.

Lista literaturii suplimentare

1. Borovoy A.A. Cum sunt înregistrate particulele (în urma neutrinilor). „Biblioteca „Quantum””. Problema. 15. M.: Nauka, 1981
2. Bronstein M.P. Atomi și electroni. „Biblioteca „Quantum””. Problema. 1. M.: Nauka, 1980
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizica: Un manual pentru clasa a IX-a de liceu. M.: „Iluminismul”
4. Kitaygorodsky A.I. Fizica pentru toată lumea. Fotoni și nuclee. Cartea 4. M.: Știință
5. Myakishev G.Ya., Sinyakova A.Z. Fizică. Optică Fizica cuantică. Clasa a 11-a: manual pentru studiul aprofundat al fizicii. M.: Dropia